JP3681893B2 - Wavelength conversion element and method for manufacturing wavelength conversion element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光等の光ビームの波長を変換し、例えば、第2次高調波等を得るための波長変換素子及びその製造方法の技術分野に属し、より詳細には、MgOよりなる基板を有し、KNbO3膜を光導波路として構成されている波長変換素子及びその製造方法の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来、レーザ光等を波長変換してより短波長のレーザ光等を得るために、入射したレーザ光等の第2次高調波を出射する波長変換素子がある。
【0003】
そして、当該波長変換素子として一般的に知られているものに、MgOよりなる基板上にKNbO3膜を光導波路として結晶成長させ、当該成長させたKNbO3膜の表面に薄膜電極と光閉じ込め用の例えばストライプ状のTiO2膜とを形成した構成のものがある。
【0004】
この構成を有する波長変換素子を用いれば、KNbO3膜が、非線形光学定数が大きく且つ光損傷耐性も高いという特性を有することから、高効率で且つ寿命の長い波長変換素子を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成を有する従来の波長変換素子においては、光導波路材料としてのKNbO3の格子定数と基板材料としてのMgOの格子定数との整合が取れないために、基板上に成長させたKNbO3膜内に内部歪みが生じ、光伝播時に損失が生じるという問題点があった。
【0006】
また、MgO基板上にKNbO3膜を成長させた時に、本来必要な結晶方位を有する結晶面((001)面)の他に不必要な方位の結晶面(例えば、(011)面)が同時に成長してしまい、この場合には波長変換の変換効率が低下してしまうという問題点があった。
【0007】
そこで、本発明は、上記各問題点に鑑みて為されたもので、その課題は、MgO基板と、光導波路としてのKNbO3膜とを有する波長変換素子において、内部歪みが少なく、且つ波長変換の変換特性が良好な波長変換素子及び当該波長変換素子の製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、MgOよりなる基板と、光が伝播するKNbO3膜と、前記基板と前記KNbO3膜との間に形成されたKTaXNb(1-X)O3膜と、を備え、前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面で40原子%以上60原子%以下であると共に前記KNbO3膜に接する面で0%となり、且つ、前記KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面から前記KNbO3膜に接する面に向かう方向に減少している。
【0009】
請求項1に記載の発明の作用によれば、MgOよりなる基板と、光が伝播するKNbO3膜との間にKTaXNb(1-X)O3膜が形成されている。
【0010】
このとき、KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面で40原子%以上60原子%以下であると共にKNbO3膜に接する面で0原子%となり、且つ、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面からKNbO3膜に接する面に向かう方向に減少している。
【0011】
よって、KNbO3膜の結晶性が向上し、KNbO3膜内に良好な波長変換機能を有する結晶面がより多く含まれることとなると共に、KNbO3膜とKTaXNb(1-X)O3膜との間における格子不整合及びKTaXNb(1-X)O3膜と基板との間における格子不整合が夫々緩和される。
【0012】
上記の課題を解決するために、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の波長変換素子において、前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面と前記KNbO3膜に接する面との間で連続的に変化している。
【0013】
請求項2に記載の発明の作用によれば、請求項1に記載の発明の作用に加えて、KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面とKNbO3膜に接する面との間で連続的に変化しているので、組成がKTaXNb(1-X)O3膜からKNbO3膜に連続的に移行することとなり、KNbO3膜における結晶性がより向上すると共に格子不整合がより緩和される。
【0014】
上記の課題を解決するために、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の波長変換素子において、前記KNbO3膜が、KNbO3結晶における(001)面を主面としている。
【0015】
請求項3に記載の発明の作用によれば、請求項1又は2に記載の発明の作用に加えて、KNbO3膜が、KNbO3結晶における(001)面を主面としているので、KNbO3結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換することができる。
【0016】
上記の課題を解決するために、請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の波長変換素子において、前記KTaXNb(1-X)O3膜の厚さが300Å以上500Å以下とされている。
【0017】
請求項4に記載の発明の作用によれば、請求項1から3のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、KTaXNb(1-X)O3膜の厚さが300Å以上500Å以下であるので、KTaXNb(1-X)O3膜の厚さを必要最小限とすることができる。
【0018】
上記の課題を解決するために、請求項5に記載の発明は、薄膜を積層することによりに形成される波長変換素子の製造方法において、MgOよりなる基板上にKTaXNb(1-X)O3膜を成長させる第1成長工程であって、成長された前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面で40原子%以上60原子%以下であると共に前記KNbO3膜に接する面で0原子%となり、且つ、前記KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面から前記KNbO3膜に接する面に向かう方向に減少するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させる第1成長工程と、前記成長したKTaXNb(1-X)O3膜の表面に、光が伝播するKNbO3膜を更に成長させる第2成長工程と、を備える。
【0019】
請求項5に記載の発明の作用によれば、MgOよりなる基板上にKTaXNb(1-X)O3膜を成長させる第1成長工程において、成長されたKTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面で40原子%以上60原子%以下であると共にKNbO3膜に接する面で0原子%となり、且つ、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面からKNbO3膜に接する面に向かう方向に減少するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させる。
【0020】
次に、第2成長工程において、成長したKTaXNb(1-X)O3膜の表面に、光が伝播するKNbO3膜を更に成長させる。
【0021】
よって、KNbO3膜と基板の間にKTaXNb(1-X)O3膜が形成されるので、KNbO3膜の結晶性が向上し、当該KNbO3膜内に良好な波長変換機能を有する結晶面がより多く含まれると共に、KNbO3膜とKTaXNb(1-X)O3膜との間における格子不整合及びKTaXNb(1-X)O3膜と基板との間における格子不整合が夫々緩和された波長変換素子を製造することができる。
【0022】
上記の課題を解決するために、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の製造方法において、前記第1成長工程において、前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面と前記KNbO3膜に接する面との間で連続的に変化するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させる。
【0023】
請求項6に記載の発明の作用によれば、請求項5に記載の発明の作用に加えて、第1成長工程において、KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面とKNbO3膜に接する面との間で連続的に変化するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させるので、組成がKTaXNb(1-X)O3膜からKNbO3膜に連続的に移行することとなり、KNbO3膜における結晶性がより向上すると共に格子不整合がより緩和される。
【0024】
上記の課題を解決するために、請求項7に記載の発明は、請求項5又は6に記載の製造方法において、前記第2成長工程において、前記KNbO3膜を、KNbO3結晶における(001)面を主面として結晶成長させる。
【0025】
請求項7に記載の発明の作用によれば、請求項5又は6に記載の発明の作用に加えて、第2成長工程において、KNbO3膜を、KNbO3結晶における(001)面を主面として結晶成長させるので、KNbO3結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換可能な波長変換素子を製造できる。
【0026】
上記の課題を解決するために、請求項8に記載の発明は、請求項5から7のいずれか一項に記載の製造方法において、前記第1成長工程において、前記KTaXNb(1-X)O3膜を厚さが300Å以上500Å以下となるように結晶成長させる。
【0027】
請求項8に記載の発明の作用によれば、請求項5から7のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、第1成長工程において、KTaXNb(1-X)O3膜を厚さが300Å以上500Å以下となるように結晶成長させるので、KTaXNb(1-X)O3膜の厚さを必要最小限としてKNbO3膜を結晶成長させることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に好適な実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、入射されるレーザ光を波長変換して第2次高調波を得る、いわゆるチャネル型の波長変換素子に対して本発明を適用した場合の実施形態である。
【0029】
始めに、本発明の波長変換素子において、光学的非線形性を用いて波長変換を行うKNbO3膜(以下、単にKN膜と称する。)について、図1を用いて説明する。
【0030】
KN膜は、上述のように光損傷に対する耐性が高い強誘電体であるが、その結晶構造は、二辺の長さが異なる直方体格子の斜方晶系結晶としての構造を有している。そして、その格子定数は、図1に示すようにaが3.9692Å、bが5.6896Å、cが5.7256Åである。
【0031】
また、斜方晶系の分極と非線形感受テンソル及び電界との関係については、下記式1に示される関係となっている。ここで、式(1)においてPは分極成分であり、dは2次非線形光学定数であり、Eは基本波電界成分であり、各添え字のa、b及びcは軸方向を示す。
【0032】
【数1】
従って、当該KN膜をエピタキシャル成長させ、これを波長変換素子の導波路として利用する場合には、当該KN膜の(001)面すなわち(a−b)面で成長させ、これにより、各非線形光学定数のうち大きな値を有する非線形光学定数d32を利用することとなる。そして、この場合、図1に示すように、a軸方向へ伝播しa−b面内で振動する基本波から、a軸方向へ伝播しa−c面内で振動する第2次高調波が得られる。
【0033】
ここで、KN膜の各非線形光学定数を表1に示す。
【0034】
【表1】
d33=−27.4±0.3
d32=−18.3±0.3
d32=−20.5±0.3(λ=860nm)
d31=−15.8±0.3
d24=17.1±0.4
d16=16.5±0.4
d15=16.5±0.4
(単位;pm/V)(基本波波長λ=1.06μm)
【0035】
次に、実施形態の波長変換素子に用いられている導波路としての上記KN膜及び基板を含む部分の構成について、図2を用いて説明する。
【0036】
実施形態の波長変換素子においては、図2(a)に示すように、基板1上に厚さ500ÅのKTaXNb(1-X)O3膜(以下、単にKTN膜と称する)2を挟んで、導波路としての厚さ約9000ÅのKN膜3が形成されている。ここで、当該KTN膜2及びKN膜3は、後述する条件の下、有機金属気相成長法(以下、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法と称する。)により基板1上に夫々結晶成長させられたものである。また、実施形態の基板1は、MgO(110)よりなる基板を用いている。
【0037】
更に、実施形態のKTN膜2においては、図2(b)に示すように、当該KTN膜2におけるタンタルTaの混合比Xの値が、当該KTN膜2の基板1に接する面で50原子%であると共にKN膜3に接する面で0原子%となり、且つ、基板1に接する面からKN膜3に接する面に向かう方向に単調減少で変化するように形成されている。
【0038】
ここで、図3に示すKN膜3の(001)面の格子定数(図3(a)参照)と基板1(MgO)の(110)面の格子定数(図3(b)参照)とは相互に異なるわけであるが、上記KTN膜2が基板1とKN膜3との間に介在しており、且つ、そのタンタルTaの含有率が基板1側の面で50原子%でありそこから漸減してKN膜3側の面で0原子%であることから、上記基板1とKN膜3との間の格子定数の齟齬がKN膜3の結晶性に与える影響が緩和され、よって、KN膜3を基板1上に直接成長させた場合に格子定数の差に起因して生じるKN膜3内の内部歪みが極めて小さくなっている。
【0039】
次に、本実施形態のKTN膜2を挟んでKN膜3を成長させた場合の、当該KN膜3における配向性について、図4を用いて説明する。なお、図4は、MgO基板上に、タンタルTaの含有率を種々に変化させたKTN膜を夫々別個に気相成長させた場合の、当該成長させた夫々のKTN膜のX線回折分析結果を示すものである。
【0040】
図4から明らかなように、タンタルTaを全く含まない膜をMgO基板上に成長させた場合(すなわち、上記KN膜を直接MgO基板上に成長させた場合)には、波長変換に用いられるべき(001)面(図4中符号a参照)だけでなく、(011)面や(022)面をも多く含んで成長してしまう。
【0041】
これに対して、例えば、タンタルTaを50原子%含有させて成長させたKTN膜では、図4中符号bで示すように、当該KTN膜中に(001)面が顕著に多く成長する。このことは、すなわち、当該タンタルTaを50原子%含有させて成長させたKTN膜上に重ねてKN膜を気相成長させた場合に、当該成長させたKN膜内にも(001)面が顕著に成長することを示している。
【0042】
ここで、本実施形態の波長変換素子では、KTN膜2におけるタンタルTaの含有率を、基板1側の面で50原子%とすると共にKN膜3側の面で0原子%とし、且つKN膜3側に向かって漸次減少させているので、結果としてKTN膜2とKN膜3とがその組成上連続的に積層されることとなる。よって、このことと上述したタンタルTaの含有率が50原子%のときに(001)面が顕著に成長することとが合間って、本実施形態のKTN膜2上に成長させられたKN膜3では、当該(001)面が更に顕著に多く含まれている。
【0043】
なお、KTN膜2の基板1側の面におけるタンタルTaの含有率(すなわち、タンタルTaの含有率の最大値)については、図4から明らかなように、上述した50原子%の場合を含めて40原子%乃至60原子%の範囲であれば、いずれの場合でも、その上に積層されたKN膜3では(001)面が顕著に多く含まれることとなる。
【0044】
次に、実施形態の波長変換素子を製造するための製造工程について、図5を用いて説明する。なお、図5は、当該波長変換素子が製造される過程を順を追って示す断面図である。
【0045】
図5に示すように、実施形態の波長変換素子を製造する際には、始めに、予め製造されているMgO(110)面よりなる基板1(図5(a)参照)上にMOCVD法によりKTN膜3(500Å)とKN膜3(約9000Å)とを気相成長させる(図5(b)参照)。
【0046】
このときの結晶成長条件としては、例えば、KTN膜2については、酸化物CVD装置を用い、温度850℃、圧力5Torr(リアクター圧力)とし、材料ガスとしてジピバロイルメタナトカリウム(K(C11H19O2)。以下、K(DPM)と称する。)、ペンタエトキシニオブ(Nb(OC2H5)5)及びペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)を用いる。
【0047】
一方、KN膜3については、同様に、酸化物CVD装置を用い、温度850℃、圧力5Torr(リアクター圧力)とし、材料ガスとしてK(DPM)、ペンタエトキシニオブ(Nb(OC2H5)5)を用いる。
【0048】
より具体的に成膜工程を説明すると、MgO(110)を主面とする基枚1を酸化物CVD装置の反応室に装填し、これを上記設定温度まで昇温し、次に反応室内部を上記設定気圧まで減圧し、出発材料としての上記各材料を酸化CVD装置の気化器の夫々に装填する。次に、これら出発原料をそれぞれ上記設定温度に保つことにより昇華又は気化させ有機金属化合物ガスとし、これを夫々流量制御されたArキャリアガス及び酸化ガスO2を用いて加熱された基板1が配置された反応室へ層流として導き、基板1上にエピタキシャル層を祈出させる。
【0049】
このとき、KTN膜2の成膜においては、ペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)の流量を当該KTN膜2の成膜当初から漸次減少させ、当該成膜終了時には零として当該KTN膜2におけるタンタルTaの含有量を、基板1側からKN膜3側に向かって連続的に単調減少させる。
【0050】
なお、この時に、図2(b)に示すグラフに示したような組成のKTN膜2を得るべくタンタルTaの含有量を直線的に減少させる他に、例えば、曲線的な減少カーブを描くように減少させてもよい。このようにすれば、KTN膜2におけるタンタルTaの組成の変化も曲線的な変化を示すこととなる。
【0051】
ここで、出発材料からの各酸化物の生成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸素を添加してもよい。
【0052】
上記KTN膜2及びKN膜3が形成されると、次に、その上に、スパッタ法又は真空蒸着法によりTiO2膜4を形成する(図5(c)参照)。
【0053】
ここで、当該TiO2膜4は、3次元導波路を形成するために空気よりも高屈折率の誘電体膜として形成されるものである。従って、TiO2膜4の膜厚としては、当該TiO2膜4自体がKN膜3よりも高屈折率であるためその膜厚が光導波可能な膜厚となったのではKN膜3内にレーザ光を閉じ込めることができないことから、カットオフ条件を満たすべく、例えば、約800Å(KN膜3をシングルモード導波路とする場合)とされる。
【0054】
なお、レーザ光閉じ込め用としては、上記TiO2膜4の他にSiO2膜を用いることも可能であるが、この場合には、上述の理由からその膜厚は約2乃至3μm必要となる。
【0055】
TiO2膜4が形成されると、次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、当該形成されたTiO2膜4をレーザ光が伝播する方向に長いストライプ状にパターンニングし、閉じ込め層5を形成する(図5(d)参照)。この時のエッチングには、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法が用いられる。
【0056】
そして、その後、TiO2膜4がエッチングされて除去された領域に、閉じ込め層5と平行に、レーザ光の基本波と第2次高調波との位相整合を取るためのストライプ状の電極6及び7を形成して(図5(e)参照)波長変換素子Sが完成する。
【0057】
なお、電極6及び7の材料としては、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金或いは金又は白金等を用いることができるが、波長変換素子としての動作時に高電界が印加されるため、実際には金又は白金の方が望ましい。
【0058】
更に、上記各工程に加えて、閉じ込め層5の表面の一部に、入射光制御用の回折格子(図7符号8参照)を形成してもよい。
【0059】
ここで、上述のようにして成膜したKN膜3の表面の状態について、図6に示す図面代用写真を用いて説明する。なお、図6(a)はKTN膜2を用いずに基板1上に直接KN膜3を成膜した場合の当該KN膜3の表面状態を示す写真であり、図6(b)はKTN膜2を挟んで基板1上にKN膜3を成膜した場合の当該KN膜3の表面状態を示す写真である。
【0060】
図6から明らかなように、KTN膜2を介してKN膜3を成膜した方が、KTN膜2を用いないで成膜した場合に比して表面状態が木目細か且つ平滑になっている。このことと図4に示したX線回折結果とを考慮すると、KTN膜2を間に挟んでKN膜3を成膜した方が、所望の(001)面を主面とするKN膜3が成長し易いことがわかる。
【0061】
次に、完成した波長変換素子Sを実際に動作させる場合の構成について、図7を用いて説明する。
【0062】
図7に示すように、波長変換素子Sを動作させる場合には、上述した電極6及び7に対して電源9により電圧を印加して各電極間に電界を発生させ、当該電界によりKN膜3の1次電気光学効果を用いて基本波モードの実行屈折率と第2次高調波モードの実行屈折率との位相整合を取って第2次高調波を発生させる。このとき、基本波は閉じ込め層5の短辺の一端側から入射し、第2次高調波及び基本波が当該短辺の他端側から出射することとなる。
【0063】
【実施例】
次に、具体的な波長変換実験について説明する。
【0064】
上述の製造構成により製造された波長変換素子S(KN層3の膜厚9000Å、KTN層2の膜厚500Å、閉じ込め層5の厚さ800Åで閉じ込め層5の基本波入射側の表面に回折格子8を有している。)を用いて、基本波(λ=860nm)をKN膜3にその断面から導波させることにより、良好な光閉じ込めが達成され、第2次高調波(λ=430nm)が高変換効率で得られた。
【0065】
更に、KN膜3の光損傷耐性の高さに起因して、高い出カまで安定した勤作が得られた。
【0066】
以上説明したように、実施形態の波長変換素子Sによれば、KTN膜2におけるタンタルTaの混合比Xの値が、当該基板1に接する面で50原子%であると共にKN膜3に接する面で0%となり、且つ、当該基板1に接する面からKN膜3に接する面に向かう方向に単調減少しているので、KN膜3の結晶性が向上し、更にKN膜3内に良好な波長変換機能を有する結晶面((001)面)がより多く含まれることとなると共に、KN膜3とKTN膜2との間における格子不整合及びKTN膜2と基板1との間における格子不整合が夫々緩和される。
【0067】
よって、高効率で波長変換が可能になる。
【0068】
また、KTN膜2におけるタンタルTaの混合比Xの値が、当該KTN膜2の基板1に接する面とKN膜3に接する面との間で連続的に変化しているので、組成がKTN膜2からKN膜3に連続的に移行することとなり、KN膜3における結晶性がより向上すると共に格子不整合がより緩和される。
【0069】
更に、KN膜3が、KNbO3結晶における(001)面を主面としているので、KNbO3結晶における大きい非線形光学定数を利用して波長変換することができる。
【0070】
また、KTN膜2の厚さが500Åであるので、KTN膜2の厚さを必要最小限とすることができる。
【0071】
なお、上述の実施形態では、KN膜3と基板1との間にKTN膜2を挟む構成としたが、これ以外に、KN膜3と基板1との間の格子不整合を更に有効に解消するために、KTN膜2に代えて、KTaNbRbO3膜を用いてもよい。この場合には、ルビジウムRbの格子定数が、KN膜3の格子定数と基板1の格子定数の間の値を有しているので、より有効に格子不整合を低減することができる。
【0072】
また、同様に、KTN膜2に代えて、KTaNbCsO3膜を用いてもよい。
【0073】
また、KTN膜2の膜厚については、上述の実施形態では500Åとしたが、これ以外に、KTN膜2及びKN膜3の結晶の配向性を向上させることができる膜厚であれば、KTN膜2はなるべく薄くすることが望ましく、この意味で、当該KTN膜2の膜厚は300Å以上500Å以下であることが望ましい。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載の発明によれば、KNbO3膜の結晶性が向上し、KNbO3膜内に良好な波長変換機能を有する結晶面がより多く含まれると共に、KNbO3膜とKTaXNb(1-X)O3膜との間における格子不整合及びKTaXNb(1-X)O3膜と基板との間における格子不整合が夫々緩和されるので、KNbO3膜における内部歪みが減少して結晶性が向上し、高効率で波長変換することができる。
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面とKNbO3膜に接する面との間で連続的に変化しているので、組成がKTaXNb(1-X)O3膜からKNbO3膜に連続的に移行することとなり、KNbO3膜における結晶性がより向上すると共に格子不整合がより緩和される。
【0075】
請求項3に記載の発明によれば、請求項1又は2に記載の発明の効果に加えて、KNbO3膜が、KNbO3結晶における(001)面を主面としているので、KNbO3結晶における大きい非線形光学定数を利用してより高効率で波長変換することができる。
【0076】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1から3のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、KTaXNb(1-X)O3膜の厚さが300Å以上500Å以下であるので、KTaXNb(1-X)O3膜の厚さを必要最小限とすることができる。
【0077】
請求項5に記載の発明によれば、KNbO3膜の結晶性が向上し、当該KNbO3膜内に良好な波長変換機能を有する結晶面がより多く含まれることとなると共に、KNbO3膜とKTaXNb(1-X)O3膜との間における格子不整合及びKTaXNb(1-X)O3膜と基板との間における格子不整合が夫々緩和されるので、KNbO3膜における内部歪みが減少して結晶性が向上し、高効率で波長変換可能な波長変換素子を製造することができる。
【0078】
請求項6に記載の発明によれば、請求項5に記載の発明の効果に加えて、KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の基板に接する面とKNbO3膜に接する面との間で連続的に変化するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させるので、組成がKTaXNb(1-X)O3膜からKNbO3膜に連続的に移行することとなり、KNbO3膜における結晶性がより向上すると共に格子不整合がより緩和される。
【0079】
請求項7に記載の発明によれば、請求項5又は6に記載の発明の効果に加えて、KNbO3膜を、KNbO3結晶における(001)面を主面として結晶成長させるので、KNbO3結晶における大きい非線形光学定数を利用してより高効率で波長変換可能な波長変換素子を製造できる。
【0080】
請求項8に記載の発明によれば、請求項5から7のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、KTaXNb(1-X)O3膜を厚さが300Å以上500Å以下となるように結晶成長させるので、KTaXNb(1-X)O3膜の厚さを必要最小限としてKNbO3膜を結晶成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】KN膜における結晶構造と光ビームの入射方向との関係を示す図である。
【図2】KN膜とKTN膜の構成を示す図であり、(a)は基板を含んだ構造を示す断面図であり、(b)はKTN膜におけるタンタルの含有率の厚さに対する変化を示す図である。
【図3】KN膜とMgO基板の結晶構造を示す図であり、(a)はKNbO3(001)面の単位結晶の大きさを示す図であり、(b)はMgO(110)面の単位結晶の大きさを示す図である。
【図4】MgO基板上のKTN膜におけるタンタルの含有率と結晶性の関係を示す図である。
【図5】波長変換素子の製造工程を示す図であり、(a)は基板を示す断面図であり、(b)は基板上に積層されたKN膜及びKTN膜を示す断面図であり、(c)はKN膜上に成膜されたTiO2膜を示す断面図であり、(d)は閉じ込め層を形成した後の波長変換素子を示す断面図であり、(e)は電極を形成した後の波長変換素子を示す断面図である。
【図6】KN膜の表面を示す図面代用写真であり、(a)はMgO基板上に直接成膜したKN膜の表面を示す図面代用写真であり、(b)はKTN膜を挟んで成膜したKN膜の表面を示す図面代用写真である。
【図7】波長変換素子における波長変換動作を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…基板
2…KTN膜
3…KN膜
4…TiO2膜
5…閉じ込め層
6、7…電極
8…回折格子
9…電源
S…波長変換素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of a wavelength conversion element for converting the wavelength of a light beam such as a laser beam and obtaining, for example, a second harmonic and the like, and more specifically, a substrate made of MgO. KNbO Three The present invention belongs to a technical field of a wavelength conversion element having a film as an optical waveguide and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a wavelength conversion element that emits a second harmonic such as an incident laser beam in order to obtain a shorter wavelength laser beam or the like by converting the wavelength of the laser beam or the like.
[0003]
In addition, what is generally known as the wavelength conversion element is formed on a substrate made of MgO with KNbO. Three Crystal growth using the film as an optical waveguide, and the grown KNbO Three A thin film electrode on the surface of the film and, for example, striped TiO for optical confinement 2 There is a configuration in which a film is formed.
[0004]
If a wavelength conversion element having this configuration is used, KNbO Three Since the film has the characteristics that the nonlinear optical constant is large and the optical damage resistance is high, a wavelength conversion element with high efficiency and a long lifetime can be obtained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional wavelength conversion element having the above configuration, KNbO as an optical waveguide material is used. Three Since the lattice constant of MgO and the lattice constant of MgO as the substrate material cannot be matched, KNbO grown on the substrate Three There is a problem in that internal distortion occurs in the film and loss occurs during light propagation.
[0006]
In addition, KNbO on the MgO substrate Three When a film is grown, a crystal plane having an unnecessary orientation (for example, (011) plane) is simultaneously grown in addition to a crystal plane having an originally necessary crystal orientation ((001) plane). However, there is a problem that the conversion efficiency of wavelength conversion is lowered.
[0007]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its problems are an MgO substrate and KNbO as an optical waveguide. Three It is an object of the present invention to provide a wavelength conversion element having a film and a method of manufacturing the wavelength conversion element with less internal distortion and good wavelength conversion conversion characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 includes a substrate made of MgO, and KNbO in which light propagates. Three Film, substrate and KNbO Three KTa formed between films X Nb (1-X) O Three And the KTa X Nb (1-X) O Three The value of the Ta mixing ratio X in the film is the KTa X Nb (1-X) O Three 40 atomic% or more and 60 atomic% or less on the surface in contact with the substrate of the film and the
[0009]
According to the operation of the first aspect of the present invention, the substrate made of MgO and the KNbO through which light propagates. Three KTa between the membrane X Nb (1-X) O Three A film is formed.
[0010]
At this time, KTa X Nb (1-X) O Three The value of the Ta mixing ratio X in the film is the KTa X Nb (1-X) O Three It is 40 atomic% or more and 60 atomic% or less on the surface in contact with the substrate of the film and
[0011]
Therefore, KNbO Three The crystallinity of the film is improved and KNbO Three The crystal face having a good wavelength conversion function is contained in the film more and KNbO Three Membrane and KTa X Nb (1-X) O Three Lattice mismatch between films and KTa X Nb (1-X) O Three The lattice mismatch between the film and the substrate is alleviated.
[0012]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
[0013]
According to the operation of the invention described in
[0014]
In order to solve the above problem, the invention according to
[0015]
According to the operation of the invention described in
[0016]
In order to solve the above problems, the invention according to
[0017]
According to the operation of the invention described in
[0018]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 5 is a method of manufacturing a wavelength conversion element formed by laminating thin films on a substrate made of MgO on KTa. X Nb (1-X) O Three A first growth step for growing a film, the grown KTa X Nb (1-X) O Three The value of the Ta mixing ratio X in the film is the KTa X Nb (1-X) O Three 40 atomic% or more and 60 atomic% or less on the surface in contact with the substrate of the film and the
[0019]
According to the operation of the invention described in claim 5, KTa is formed on the substrate made of MgO. X Nb (1-X) O Three In the first growth step of growing the film, the grown KTa X Nb (1-X) O Three The value of the Ta mixing ratio X in the film is the KTa X Nb (1-X) O Three It is 40 atomic% or more and 60 atomic% or less on the surface in contact with the substrate of the film and
[0020]
Next, in the second growth step, the grown KTa X Nb (1-X) O Three KNbO where light propagates on the surface of the film Three The film is grown further.
[0021]
Therefore, KNbO Three KTa between the film and the substrate X Nb (1-X) O Three Since the film is formed, KNbO Three The crystallinity of the film is improved and the KNbO Three More crystal planes having a good wavelength conversion function are contained in the film, and KNbO Three Membrane and KTa X Nb (1-X) O Three Lattice mismatch between films and KTa X Nb (1-X) O Three A wavelength conversion element in which the lattice mismatch between the film and the substrate is alleviated can be manufactured.
[0022]
In order to solve the above-described problem, the invention according to
[0023]
According to the operation of the invention described in
[0024]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 7 is the manufacturing method according to
[0025]
According to the operation of the invention described in claim 7, in addition to the operation of the invention described in
[0026]
In order to solve the above problem, an invention according to an eighth aspect is the manufacturing method according to any one of the fifth to seventh aspects, wherein in the first growth step, the KTa X Nb (1-X) O Three The film is crystal-grown so that the thickness is 300 to 500 mm.
[0027]
According to the operation of the invention described in
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is an embodiment when the present invention is applied to a so-called channel-type wavelength conversion element that obtains a second harmonic by converting the wavelength of incident laser light.
[0029]
First, in the wavelength conversion element of the present invention, KNbO that performs wavelength conversion using optical nonlinearity Three A film (hereinafter simply referred to as a KN film) will be described with reference to FIG.
[0030]
The KN film is a ferroelectric having high resistance to optical damage as described above, but its crystal structure is a structure of an orthorhombic crystal with a rectangular parallelepiped having different two side lengths. As shown in FIG. 1, the lattice constant is 3.9692 cm for a, 5.6896 cm for b, and 5.7256 cm for c.
[0031]
Further, the relationship among orthorhombic polarization, nonlinear susceptibility tensor, and electric field is represented by the following formula 1. Here, in Expression (1), P is a polarization component, d is a second-order nonlinear optical constant, E is a fundamental wave electric field component, and each subscript a, b, and c indicates an axial direction.
[0032]
[Expression 1]
Accordingly, when the KN film is epitaxially grown and used as a waveguide of the wavelength conversion element, it is grown on the (001) plane, that is, the (ab) plane of the KN film. Is a nonlinear optical constant d having a large value 32 Will be used. In this case, as shown in FIG. 1, from the fundamental wave that propagates in the a-axis direction and vibrates in the a-b plane, the second harmonic that propagates in the a-axis direction and vibrates in the a-c plane. can get.
[0033]
Here, each nonlinear optical constant of the KN film is shown in Table 1.
[0034]
[Table 1]
d 33 = -27.4 ± 0.3
d 32 = -18.3 ± 0.3
d 32 = -20.5 ± 0.3 (λ = 860 nm)
d 31 = -15.8 ± 0.3
d twenty four = 17.1 ± 0.4
d 16 = 16.5 ± 0.4
d 15 = 16.5 ± 0.4
(Unit: pm / V) (fundamental wavelength λ = 1.06 μm)
[0035]
Next, the configuration of the portion including the KN film and the substrate as the waveguide used in the wavelength conversion element of the embodiment will be described with reference to FIG.
[0036]
In the wavelength conversion element of the embodiment, as shown in FIG. X Nb (1-X) O Three
[0037]
Further, in the
[0038]
Here, the lattice constant of the (001) plane of the
[0039]
Next, the orientation in the
[0040]
As is apparent from FIG. 4, when a film containing no tantalum Ta is grown on the MgO substrate (that is, when the KN film is directly grown on the MgO substrate), it should be used for wavelength conversion. It grows including not only the (001) plane (see symbol a in FIG. 4) but also the (011) plane and (022) plane.
[0041]
On the other hand, for example, in a KTN film grown by containing 50 atomic% of tantalum Ta, (001) planes grow significantly more in the KTN film, as indicated by reference numeral b in FIG. That is, when a KN film is vapor-phase grown on a KTN film grown with 50 atomic% of tantalum Ta, the (001) plane is also present in the grown KN film. It shows a remarkable growth.
[0042]
Here, in the wavelength conversion element of this embodiment, the content of tantalum Ta in the
[0043]
Note that the tantalum Ta content (that is, the maximum value of the tantalum Ta content) on the substrate 1 side surface of the
[0044]
Next, a manufacturing process for manufacturing the wavelength conversion element of the embodiment will be described with reference to FIG. In addition, FIG. 5 is sectional drawing which shows the process in which the said wavelength conversion element is manufactured later on.
[0045]
As shown in FIG. 5, when the wavelength conversion element according to the embodiment is manufactured, first, a MOCVD method is performed on a substrate 1 (see FIG. 5A) made of a MgO (110) surface manufactured in advance. The KTN film 3 (500 mm) and the KN film 3 (about 9000 mm) are vapor-phase grown (see FIG. 5B).
[0046]
As the crystal growth conditions at this time, for example, for the
[0047]
On the other hand, for the
[0048]
More specifically, the film forming process will be described. A substrate 1 having MgO (110) as a main surface is loaded into a reaction chamber of an oxide CVD apparatus, and the temperature is raised to the set temperature. Is reduced to the set atmospheric pressure, and the respective materials as starting materials are loaded into the vaporizers of the oxidation CVD apparatus. Next, each of these starting materials is sublimated or vaporized by maintaining the above set temperature to obtain an organometallic compound gas, which is controlled in flow rate by Ar carrier gas and oxidizing gas O, respectively. 2 As a laminar flow to the reaction chamber in which the heated substrate 1 is disposed, the epitaxial layer is prayed on the substrate 1.
[0049]
At this time, in the formation of the
[0050]
At this time, in addition to linearly decreasing the content of tantalum Ta to obtain the
[0051]
Here, since the production of each oxide from the starting material involves an oxidation reaction, a certain amount of oxygen may be added to the reaction gas.
[0052]
When the
[0053]
Where the relevant TiO 2 The
[0054]
In addition, the above-mentioned TiO is used for laser light confinement. 2 In addition to
[0055]
TiO 2 Once the
[0056]
And then TiO 2
[0057]
As materials for the
[0058]
Further, in addition to the above steps, a diffraction grating for controlling incident light (see
[0059]
Here, the state of the surface of the
[0060]
As is apparent from FIG. 6, the surface state is finer and smoother when the
[0061]
Next, a configuration for actually operating the completed wavelength conversion element S will be described with reference to FIG.
[0062]
As shown in FIG. 7, when operating the wavelength conversion element S, a voltage is applied to the
[0063]
【Example】
Next, a specific wavelength conversion experiment will be described.
[0064]
The wavelength conversion element S manufactured according to the above-described manufacturing configuration (the thickness of the
[0065]
Furthermore, due to the high light damage resistance of the
[0066]
As described above, according to the wavelength conversion element S of the embodiment, the value of the mixing ratio X of tantalum Ta in the
[0067]
Therefore, wavelength conversion can be performed with high efficiency.
[0068]
Further, since the value of the tantalum Ta mixing ratio X in the
[0069]
Furthermore, the
[0070]
Further, since the thickness of the
[0071]
In the above-described embodiment, the
[0072]
Similarly, instead of the
[0073]
Further, the thickness of the
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, KNbO Three The crystallinity of the film is improved and KNbO Three More crystal planes having a good wavelength conversion function are contained in the film, and KNbO Three Membrane and KTa X Nb (1-X) O Three Lattice mismatch between films and KTa X Nb (1-X) O Three Since the lattice mismatch between the film and the substrate is alleviated, KNbO Three The internal strain in the film is reduced, crystallinity is improved, and wavelength conversion can be performed with high efficiency.
According to the invention described in
[0075]
According to the invention of
[0076]
According to the invention described in
[0077]
According to the invention described in claim 5, KNbO Three The crystallinity of the film is improved and the KNbO Three The crystal face having a good wavelength conversion function is contained in the film more and KNbO Three Membrane and KTa X Nb (1-X) O Three Lattice mismatch between films and KTa X Nb (1-X) O Three Since the lattice mismatch between the film and the substrate is alleviated, KNbO Three A wavelength conversion element capable of wavelength conversion with high efficiency can be manufactured by reducing internal strain in the film and improving crystallinity.
[0078]
According to the invention described in
[0079]
According to the invention described in claim 7, in addition to the effect of the invention described in
[0080]
According to the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a crystal structure in a KN film and an incident direction of a light beam.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing configurations of a KN film and a KTN film, FIG. 2A is a cross-sectional view showing a structure including a substrate, and FIG. 2B shows a change in the content of tantalum in the KTN film with respect to the thickness; FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a crystal structure of a KN film and an MgO substrate, where (a) shows KNbO. Three It is a figure which shows the magnitude | size of the unit crystal of (001) plane, (b) is a figure which shows the magnitude | size of the unit crystal of MgO (110) plane.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between tantalum content and crystallinity in a KTN film on an MgO substrate.
5A and 5B are diagrams illustrating a manufacturing process of a wavelength conversion element, in which FIG. 5A is a cross-sectional view illustrating a substrate, and FIG. 5B is a cross-sectional view illustrating a KN film and a KTN film stacked on the substrate. (C) shows the TiO film formed on the KN film. 2 It is sectional drawing which shows a film | membrane, (d) is sectional drawing which shows the wavelength conversion element after forming the confinement layer, (e) is sectional drawing which shows the wavelength conversion element after forming an electrode.
FIG. 6 is a drawing-substituting photograph showing the surface of the KN film, (a) is a drawing-substituting photograph showing the surface of the KN film formed directly on the MgO substrate, and (b) is a photograph formed by sandwiching the KTN film. It is a drawing substitute photograph which shows the surface of the formed KN film | membrane.
FIG. 7 is a perspective view showing a wavelength conversion operation in the wavelength conversion element.
[Explanation of symbols]
1 ... Board
2 ... KTN film
3 ... KN film
4 ... TiO 2 film
5 ... Confinement layer
6, 7 ... Electrodes
8 ... Diffraction grating
9 ... Power supply
S: Wavelength conversion element
Claims (8)
光が伝播するKNbO3膜と、
前記基板と前記KNbO3膜との間に形成されたKTaXNb(1-X)O3膜と、
を備え、
前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面で40原子%以上60原子%以下であると共に前記KNbO3膜に接する面で0原子%となり、且つ、前記KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面から前記KNbO3膜に接する面に向かう方向に減少していることを特徴とする波長変換素子。A substrate made of MgO;
A KNbO 3 film through which light propagates;
A KTa x Nb (1-x) O 3 film formed between the substrate and the KNbO 3 film;
With
The value of the KTa X Nb (1-X) O 3 mixed ratio of Ta in the film X is the KTa X Nb (1-X) O 3 film wherein a plane in contact with the substrate 40 atomic% to 60 atomic% in the following And 0 atomic% on the surface in contact with the KNbO 3 film, and decreases in a direction from the surface in contact with the substrate of the KTa X Nb (1-X) O 3 film toward the surface in contact with the KNbO 3 film. A wavelength conversion element characterized by comprising:
前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面と前記KNbO3膜に接する面との間で連続的に変化していることを特徴とする波長変換素子。The wavelength conversion element according to claim 1,
The value of the KTa X Nb (1-X) O 3 mixed ratio of Ta in the film X is the KTa X Nb (1-X) O 3 film wherein the the surface contacting the substrate the KNbO 3 in contact with the film surface of A wavelength conversion element characterized by continuously changing between.
前記KNbO3膜が、KNbO3結晶における(001)面を主面としていることを特徴とする波長変換素子。In the wavelength conversion element according to claim 1 or 2,
The wavelength conversion element, wherein the KNbO 3 film has a (001) plane in a KNbO 3 crystal as a main surface.
前記KTaXNb(1-X)O3膜の厚さが300Å以上500Å以下であることを特徴とする波長変換素子。In the wavelength conversion element as described in any one of Claim 1 to 3,
A wavelength conversion element, wherein the thickness of the KTa X Nb (1-X) O 3 film is 300 to 500 mm.
MgOよりなる基板上にKTaXNb(1-X)O3膜を成長させる第1成長工程であって、成長された前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面で40原子%以上60原子%以下であると共に前記KNbO3膜に接する面で0原子%となり、且つ、前記KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面から前記KNbO3膜に接する面に向かう方向に減少するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させる第1成長工程と、
前記成長したKTaXNb(1-X)O3膜の表面に、光が伝播するKNbO3膜を更に成長させる第2成長工程と、
を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。In the method of manufacturing a wavelength conversion element formed by laminating thin films,
In a first growth step of growing a KTa x Nb (1-x) O 3 film on a substrate made of MgO, the Ta mixing ratio X in the grown KTa x Nb (1-x) O 3 film The value of the KTa X Nb (1-X) O 3 film is 40 atomic% or more and 60 atomic% or less on the surface in contact with the substrate and 0 atomic% on the surface in contact with the KNbO 3 film, and the KTa First growth for growing the KTa X Nb (1-X) O 3 film to decrease in a direction from the surface in contact with the substrate of the X Nb (1-X) O 3 film toward the surface in contact with the KNbO 3 film Process,
A second growth step of further growing a KNbO 3 film through which light propagates on the surface of the grown KTa X Nb (1-X) O 3 film;
A method of manufacturing a wavelength conversion element comprising:
前記第1成長工程において、前記KTaXNb(1-X)O3膜におけるTaの混合比Xの値が、当該KTaXNb(1-X)O3膜の前記基板に接する面と前記KNbO3膜に接する面との間で連続的に変化するように当該KTaXNb(1-X)O3膜を成長させることを特徴とする波長変換素子の製造方法。In the manufacturing method of Claim 5,
In the first growth step, the value of the mixing ratio X of the KTa X Nb (1-X) O 3 Ta in film, wherein the said KTa X Nb (1-X) O 3 wherein the surface in contact with the substrate film KNbO A method of manufacturing a wavelength conversion element, comprising growing the KTa X Nb (1-X) O 3 film so as to continuously change between the surfaces in contact with the three films.
前記第2成長工程において、前記KNbO3膜を、KNbO3結晶における(001)面を主面として結晶成長させることを特徴とする波長変換素子の製造方法。In the manufacturing method according to claim 5 or 6,
In the second growth step, the KNbO 3 film is crystal-grown with the (001) plane of the KNbO 3 crystal as a main surface.
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